B/Ti薄膜點火元件電爆輸出性能研究*

高 芬，曹維國

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

電爆炸點火元件，利用爆炸箔或者橋絲，在短脈沖電流刺激下產生等離子體引燃或引爆始發裝藥。電爆炸產生等離子體的性能，直接影響始發裝藥發火的可靠性。等離子體溫度越高，持續時間越長，越容易起爆始發裝藥。增加爆炸箔橋區尺寸，可提高等離子體的溫度和持續時間，然而，起爆大尺寸橋箔需要大電流脈沖輸入，導致起爆系統的體積較大，難以實現武器系統的小型化。因此，降低電爆點火元件的發火能量，是起爆系統必然的發展趨勢。

在點火元件中應用微小橋區尺寸金屬箔，可以實現點火元件的低能等離子體化，但是，由于輸入能量低，且單一金屬橋箔換能過程存在能量損耗，因此，該類點火元件對下級裝藥的感度具有一定的選擇性，要求裝藥感度很高。為了實現低能輸入，高能輸出，可在等離子體作用過程復合一個納米含能材料的快速放熱反應，增強等離子體的輸出性能，提高低能電爆炸點火元件引燃引爆下級裝藥的可靠性。由于B/Ti復合含能材料具有反應速率高，能量高的特點，本文采用用B/Ti復合含能材料的反應放熱實現金屬橋箔的電爆炸輸出增益。

B/Ti復合含能材料發生反應生成熱可達 5517 J/g，反應過程可產生強烈火花，火花濺射距離多達數毫米甚至更遠[1]，已經成功應用于汽車安全氣囊的充氣點火[2]和固體推進劑的非接觸式點火[3]等。盡管B/Ti復合含能材料放熱量大，是一種很有潛力的含能材料。然而，由于B的熔點高、導電性差，制備B/Ti很困難，國內外研究報道較少。國外利用直流濺射沉積和電子束蒸發沉積制備B薄膜，存在沉積效果差、安全性差和易爆炸等缺點[3]。劉玉杰利用射頻磁控濺射法成功制備了B/Ti復合薄膜[4]，但是B薄膜沉積速率很低，僅1.38nm/min[5]。為提高制備效率，本文基于電泳沉積原理，以小尺寸Cu爆炸箔(0.04mm×0.04mm×1μm)為基底，在外加直流電源的作用下，實現了B和Ti納米顆粒在溶液中的定向移動，在爆炸箔上沉積了約10μm厚的B/Ti復合含能薄膜，進而獲得一種以B/Ti含能薄膜材料為基的電爆炸點火元件。根據小尺寸爆炸箔電爆特性，采用極短周期脈沖電流測試了電爆炸點火元件的性能特性參數。

1 B/Ti復合含能材料的表征

1.1 B/Ti復合含能材料表面形貌分析

B粉和Ti粉配制成膠體，利用電泳技術在不銹鋼基板上沉積了B/Ti復合含能材料，如圖1所示。

圖1 電泳沉積的B/Ti復合含能材料

從圖1觀察到，沉積后的B/Ti復合含能材料整體呈黑色，顏色均勻，無兩種物質的分顆粒感存在，表明硼粉與鈦粉混合均勻，通過電泳技術實現B/Ti復合含能材料的制備方法可行。

為了進一步觀察B/Ti復合含能材料的表觀形貌，將制備好的B/Ti進行掃描電子顯微鏡(SEM)檢測，如圖2所示。將B/Ti復合含能材料放大500倍后的形貌顯示與圖2(a)的圖片，從圖片上看出，整個呈蓬松狀，微小孔結構覆蓋于整個表面，觀察不到兩種物質分別顆粒的存在，進一步表明利用電泳沉積的B粉與Ti粉混合均勻，沒有出現利用人工或者機器混合粉末出現的缺點。圖2(b)顯示的圖片為放大1萬倍后的形貌，出現堆砌狀，中間有空隙，呈現松散狀。一種物質出現母體塊狀，另一種物質的顆粒以團簇的形式圍繞在母體周圍。這種現象與張開黎制備的Al/CuO納米線復合含能材料兩種物質的結合方式[6]相似，都是包圍母體形成含能材料，以這種形式制備的含能材料更利于反應，反應更完全[7]。

1.2 B/Ti復合含能材料DSC分析

對電泳法制備的B/Ti復合含能材料以不同的升溫速率( 10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min 和 50 ℃/min)進行了DSC測試。測試樣品量約為 20 mg，測試在動態氮氣氛圍下進行，氮氣流量為 30 mL/min。在實際的應用中，由于不同的點火方式有不同的升溫速率故研究升溫速率對改材料的影響具有實際的意義。圖3顯示為不同升溫速率下的獲得的DSC放熱曲線，觀測到不同升溫速率下的曲線的放熱峰的峰形相似，但是峰值溫度與放熱起始溫度不同。圖3中的DSC放熱曲線只有一個放熱峰，沒有吸熱峰，表明反應完全，反應起始溫度為976～1023 ℃，比硼(2076 ℃)和鈦(1678 ℃)的熔點都低。B/Ti含能材料在升溫速率為 50 ℃/min 下，放出的熱量最大，可達 1259 J/g，與利用磁控濺射制備的B/Ti納米復合薄膜的放熱量相當[4]。 隨著升溫速率的提高，B/Ti復合含能材料呈現出明顯的熱滯期，即當升溫速率從 10 ℃/min 提高到 50 ℃/min，該含能材料的初始反應溫度提高了 47 ℃(從 975.7 ℃ 提高到 1022.6 ℃)，說明B/Ti含能材料的燃點對升溫速率較敏感，這一結論在其它納米含能材料顆粒中也得到同樣的結果[8]。

圖3 B/Ti復合含能材料在不同

2 Cu/B/Ti點火元件電爆性能研究

采用磁控濺射法制備了尺寸為 0.04 mm×0.04 mm×0.001 mm 的銅橋箔，在銅微橋箔(橋區和橋翼)的基礎上利用電泳技術沉積了 10 μm 厚的B/Ti復合含能材料，如圖4所示。整個橋區和橋翼呈現黑色，表明B/Ti復合含能材料通過電泳技術成功地沉積在Cu橋上。

采用短脈沖電流放電單元對Cu/B/Ti點火元件進行了電爆性能研究，電容放電單元電容容量為 25 nF，輸入電壓為 400 V，總輸入能量為 2 mJ，周期為 211 ns，測試電路如圖5所示。利用電流環測試發火電路中的電流，在橋區下面沉積了兩根“胡須”，測試橋區兩端的電壓，獲得其電壓-電流特征曲線。

圖5 Cu橋箔電爆特性曲線測試示意圖

當開關在觸發高壓作用下瞬間導通后，電容器快速放電，產生脈沖大電流，橋箔兩端電壓隨之增大，橋箔受熱快速熔化氣化，氣化完成時，電壓出現一尖峰達到最大值，相應電流曲線出現“凹坑”，這個時刻為橋箔電爆炸時刻。圖6顯示為Cu/B/Ti電爆炸點火元件在 400 V 輸入電壓，電容容量為 25 nF 的條件下的電壓-電流特征曲線。從圖6中看出，電流、電壓曲線在 40 ns 時幾乎同時達到頂峰，說明電容器儲能充足，橋箔結構與電壓匹配較好，銅橋箔能量利用率高。

Cu/B/Ti電爆炸點火元件進行發火測試試驗，電壓為 400 V，電容容量為 25 nF，圖7顯示了Cu/B/Ti復合橋箔的發火情況。當橋區電流密度驟然增大，產生熱量使Cu橋箔熔化氣化產生等離子體，在這過程中B/Ti含能材料發生反應，增強等離子體的輸出能力。從圖7中明顯地看出，有強烈的火花出現，而且伴有反應物的噴出，說明B/Ti含能材料發生了反應。整個噴射的火焰可達數毫米，保證即使次級裝藥與點火元件有微小間隙也能可靠點燃下級裝藥，實現點火的功能。而橋絲式點火元件和半導體點火元件則要求被點燃藥劑必須與橋絲和半導體橋貼緊，研究表明，即使有微小空隙的存在也極有可能造成啞火[9-10]。

圖6 Cu/B/Ti橋箔電壓-電流特征曲線

圖7 Cu/B/Ti復合橋電爆實物圖

3 結論

a)采用電泳技術沉積的B/Ti含能薄膜材料呈蓬松狀，顏色均勻，無分顆粒存在； SEM表觀相貌表征表明B/Ti含能薄膜材料中一種物質呈線塊裝母體，而另外一種物質顆粒成團簇裝包圍在塊體周圍。

b)不同升溫速率的DSC熱分析表明，B/Ti含能薄膜材料的反應起始溫度為 976 ℃～1023 ℃，遠比硼與鈦的熔點低，只有一個反應放熱峰，放出的熱量為 1259 J/g。

d)在尺寸為 0.04 mm×0.04 mm×0.001 mm 的Cu微橋箔上沉積 10 μm 厚的B/Ti含能薄膜材料，制備的Cu/B/Ti電爆炸點火元件。在電容容量 25 nF，輸入電壓 400 V 的條件下，Cu/B/Ti電爆炸點火元件電流、電壓曲線在 40 ns 時幾乎同時達到頂峰，表明橋箔結構與電壓匹配較好，銅橋箔能量利用率高。

e)制備的Cu/B/Ti電爆炸點火元件電爆過程中發出強烈的火光，火焰高度達數毫米，反應后橋區斷開，反應完全。